李曉斌，付麗紅，葉紹波，邱述金，亢石磊，張淑娟

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，030801，山西太谷；2 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，030801，山西太谷）

農(nóng)業(yè)工程學(xué)作為農(nóng)業(yè)類院校的重要學(xué)科，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供了大量的基礎(chǔ)研究成果和重要的技術(shù)理論支持。實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該課程體系中的絕大部分課程，特別是一些重要的專業(yè)基礎(chǔ)課（如農(nóng)業(yè)機械學(xué)、拖拉機汽車學(xué)等）如采用傳統(tǒng)講授法，即使配合相關(guān)圖片、視頻、道具等，對學(xué)生的吸引力也不足，學(xué)生的參與度不高，教學(xué)效果事倍功半。對學(xué)生而言，對某一機構(gòu)（如曲柄連桿機構(gòu)）或系統(tǒng)（如潤滑系統(tǒng)）的組成和工作原理仍不能扎實掌握；對教師而言，教學(xué)過程顯得有些紙上談兵。因此，為提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，采用靈活多樣、能打動學(xué)生且具有現(xiàn)代科技感的教學(xué)手段顯得十分必要[1]。

近年來，VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）和AR（Augmented Reality，現(xiàn)實增強）技術(shù)迅速崛起，將二者結(jié)合起來，就構(gòu)成了混合現(xiàn)實技術(shù)——Mixed Reality（MR）[2]。如果能將MR 技術(shù)及時引入到農(nóng)業(yè)工程專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)實踐中，特別是引入到教學(xué)網(wǎng)絡(luò)互動平臺中，一方面，學(xué)生可以看到真實世界（AR 的特點），同時也會看到虛擬的物體（VR 的特點）。另一方面，將虛擬物體置于真實世界中，并讓學(xué)生可以與這些虛擬物體進行互動（如發(fā)動機拆裝過程）。學(xué)生置身其中，融入課堂，體驗充分，極大地提高了學(xué)習(xí)的興趣、參與度和主動性，最終使學(xué)生深刻地理解和掌握從事農(nóng)業(yè)工程相關(guān)專業(yè)所必須具備的理論知識和實踐技能。

1 農(nóng)業(yè)工程類課程網(wǎng)絡(luò)互動平臺的構(gòu)建

以“拖拉機汽車學(xué)”課程為例?！巴侠瓩C汽車學(xué)”實踐性強，在農(nóng)業(yè)工程類課程體系中至關(guān)重要。主要講授發(fā)動機（曲柄連桿機構(gòu)、換氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)）和底盤（行駛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)）的組成及工作原理，還包括拖拉機的液壓懸掛裝置、汽車車身和電氣系統(tǒng)等內(nèi)容。

1.1 平臺構(gòu)建的必要性

（1）活躍課堂氛圍和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的需要。目前普遍存在的課堂現(xiàn)象是：學(xué)生一進入教室，首先把手機放在課桌上，然后就把注意力都集中在手機及其娛樂類APP 上，即使教師開始講課，學(xué)生也會偷偷玩手機。雖然授課當中有圖片、視頻或?qū)嵨镎故荆仓荒芪〔糠謱W(xué)生，教學(xué)效果事倍功半[3-4]。

（2）教學(xué)活動應(yīng)用新的教學(xué)手段及高科技的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以VR 和AR 為代表的混合現(xiàn)實技術(shù)進入高校教學(xué)環(huán)節(jié)?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)將現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境結(jié)合起來，在虛擬的世界里模擬現(xiàn)實世界的實際情況，如將其應(yīng)用到拖拉機汽車學(xué)等農(nóng)業(yè)工程類專業(yè)課程教學(xué)上，恰恰彌補了現(xiàn)有教學(xué)手段對學(xué)生吸引力差、課堂氣氛不活躍等缺陷，大大提高了學(xué)生在教學(xué)活動中的參與度和學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度。

1.2 平臺構(gòu)建應(yīng)遵循的原則

（1）全方位原則。將原創(chuàng)視頻、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案、講稿、課件、參考資料、練習(xí)題、課外拓展等教學(xué)內(nèi)容集成在平臺中，重視虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，平臺建設(shè)突出一個“全”字。

（2）互動性原則。教師也佩戴相應(yīng)設(shè)備，與學(xué)生共同進入MR 環(huán)境中，實現(xiàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生的多向互動，讓學(xué)生在參與中掌握知識核心，突出一個“動”字。

（3）自主性原則。在MR 環(huán)境中，仍然以學(xué)生為中心，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中強化主體意識和團隊協(xié)作意識，增強在新的學(xué)習(xí)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，突出一個“主”字。

（4）層次性原則。按照由大到小、由總到分的順序，對每一個知識點進行學(xué)習(xí)和實踐；也可以由小到大、由分到總，反過來對知識點進行總結(jié)和歸納。突出一個“層”字。

（5）創(chuàng)造性原則。學(xué)生從AR 和VR 的角度，在對發(fā)動機或底盤的某一具體結(jié)構(gòu)進行知識重構(gòu)時，常常自覺或不自覺地主動探索，大大激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，突出一個“創(chuàng)”字。

1.3 平臺開發(fā)環(huán)境

Matlab 是一款大型矩陣計算類軟件，具有功能豐富、編程高效、綜合性強等優(yōu)點，常用于大型計算、圖像處理、信號處理和統(tǒng)計分析等領(lǐng)域。特別是其具有便捷高效、自由靈活的GUI（Graphical User Interface）人機交互界面設(shè)計功能，因此，本文采用Matlab（2022a）進行網(wǎng)絡(luò)互動平臺的搭建，將程序經(jīng)編譯后轉(zhuǎn)為安卓系統(tǒng)可識別的*.apk 文件，安裝于平板電腦中。

1.4 平臺總體架構(gòu)

平臺的總體設(shè)計思路及主要制作內(nèi)容如圖1 所示。學(xué)生在登錄系統(tǒng)后，可以選擇發(fā)動機部分、底盤部分和液壓懸掛裝置3 個目錄，點擊相應(yīng)圖標即可進入下一級菜單。以汽油機工作原理為例，這一章的重點就是通過進氣、壓縮、做功、排氣4 個行程中活塞的位置、氣門的狀態(tài)、曲軸的轉(zhuǎn)角等理解和掌握發(fā)動機的基本工作原理，同時清晰掌握上下止點、活塞行程、燃燒室容積、工作容積、總?cè)莘e、排量和壓縮比等概念。對于大多數(shù)沒有見過發(fā)動機及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的學(xué)生而言，傳統(tǒng)的講授法只是紙上談兵，學(xué)生不僅不能馬上掌握相關(guān)概念，而且形不成形象的記憶。在此情況下，利用MR 技術(shù)，將虛擬的發(fā)動機搬進課堂，每位同學(xué)都能借助MR 設(shè)備，輕松地了解發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不但能準確掌握相應(yīng)知識點，形成印象深刻的記憶，而且還能以極大的主動性（由MR 巨大的吸引力產(chǎn)生）投入到課程學(xué)習(xí)中，這種基于MR 技術(shù)的專業(yè)課教學(xué)方法無疑會為農(nóng)業(yè)工程類其他課程（如農(nóng)業(yè)機械學(xué)等）的教學(xué)提供借鑒。

圖1 平臺總體設(shè)計思路及主要制作內(nèi)容

1.5 平臺構(gòu)建結(jié)果

在Matlab 命令窗口中，輸入“appdesigner”命令，回車后選擇空白模版，拖拽左側(cè)組件庫中的常用組件至模版中合適的位置，調(diào)整控件大小并雙擊，可編輯該控件并實現(xiàn)相應(yīng)功能。圖2 為設(shè)計好的登錄界面。目前，課題組已完成圖1 中所列發(fā)動機和底盤關(guān)鍵零部件的MR 制作，并通過相關(guān)測試，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)和車輛工程專業(yè)本科生 “拖拉機汽車學(xué)”和“汽車構(gòu)造”等課程的MR 實操。圖3 為拆掉傳動鋼帶后的CVT 無級變速箱MR 模型。學(xué)生在此環(huán)境中，通過進行CVT 無級變速箱的拆解和組裝，可以深刻理解該類變速箱的變速原理和工作過程。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

圖3 CVT 無級變速箱MR 模型

2 平臺使用情況

基于MR 混合現(xiàn)實技術(shù)的拖拉機汽車學(xué)網(wǎng)絡(luò)互動平臺于2022 年5 月完成，后經(jīng)調(diào)試和修改，于9 月初正式供山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機20 級（3 個班，共87 人）和車輛20 級（3 個班，共97 人）本科生學(xué)習(xí)使用。通過網(wǎng)上問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，93%的學(xué)生對平臺使用非常滿意，7%的學(xué)生認為滿意。師生充分交流該平臺的使用感受，主要觀點如下。

（1）MR 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，優(yōu)化了拖拉機汽車學(xué)課堂教學(xué)過程。長期以來，拖拉機汽車學(xué)的教學(xué)活動，都是以教師為中心。灌輸型教學(xué)方式成了傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的突出特點，教師把主導(dǎo)變?yōu)榘k代替，從知識的講解到問題的分析等全過程都變成了自己唱“獨角戲”。MR 網(wǎng)絡(luò)互動平臺的構(gòu)建和應(yīng)用，充分發(fā)揮了信息技術(shù)和多媒體技術(shù)在自主學(xué)習(xí)、主動探究、合作交流等方面的優(yōu)勢，改變了原來單一的、機械式的、程式化的課堂[5]。進行網(wǎng)絡(luò)互動，使“拖拉機汽車學(xué)”等農(nóng)業(yè)工程類專業(yè)課教學(xué)生動活潑、形式多樣。

（2）MR 技術(shù)的應(yīng)用使課堂煥發(fā)出了生機和活力，“以學(xué)生為中心” 的教學(xué)理念得到了充分體現(xiàn)?；贛R 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)互動平臺的應(yīng)用，使學(xué)生在課堂上不再像以前那樣長時間聽教師講課，而是有了充分發(fā)揮主觀能動性、要徹底理解和掌握發(fā)動機總成或相關(guān)零部件工作原理的內(nèi)生動力，有了展示自己的時間和空間。學(xué)生之間、師生之間可以通過該平臺相互交流、提問、討論、爭辯，學(xué)習(xí)的自覺性、主動性、積極性和創(chuàng)造性等方面都得到了顯著提升。民主、寬松、和諧、活潑的課堂氣氛逐漸形成，師生關(guān)系更加融洽。

（3）MR 技術(shù)的應(yīng)用更有助于建立新的評價和反饋機制。MR 技術(shù)的應(yīng)用有利于構(gòu)建新的、以學(xué)生自主性和參與性為標準的發(fā)展性評價體系[6]，教學(xué)過程更注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力、探究能力、創(chuàng)新精神、合作精神和實踐能力等指標。建立反饋機制，及時修正平臺的相關(guān)問題，使平臺最大限度地為農(nóng)業(yè)工程類專業(yè)課程教學(xué)服務(wù)。